三自由度和四自由度并联机构的奇异性研究

摘要

并联机构有刚度大，承载能力强，累积误差小，控制精度高等优点而逐步应用在航空航天，工业机器人等领域。随着越来越多的应用，并联机构奇异位形对它的运动，受力，控制以及精度等方面性能的影响，引起了众多国内外学者的关注。因此有必要对并联机构的奇异性做深入的研究，以减少和消除奇异位形的影响，进一步提高并联机构的性能，促进并联机构的实用化和产品化的发展。本文对目前有良好应用价值的3自由度和4自由度并联机构的奇异性进行了分析。 分析了五种平面对称三自由度并联机构3—RRR，3—RPR，3—PRR，3—PRP和3—RRP的奇异性，并在它们支链增加一个冗余驱动后，对机构RRR—2RRR，RPR—2RPR，PRR—2PRR，PRP—2RRP和RRP—2RRP的奇异位形进行了讨论并比较冗余驱动机构对非冗余机构的奇异性影响。 分析了Tricept并联机构三种不同驱动形式的奇异性，即驱动器布置在移动副和胡克铰定动轴线三种情况。利用螺旋理论得到三种不同情况下的完整雅克比矩阵，然后结合线几何理论判断了它们奇异发生条件，并讨论了所有可能的奇异性类型及奇异位形处的瞬时运动特性。最后以移动副为主动副的Tricept机构作算例，推导出以θ1，θ2和z为独立参数的奇异轨迹方程及θ1-θ2-z空间和x-y-z空间的奇异曲面。 对目前四自由度并联机构中有很好应用价值的同构支链H4类机构进行奇异性分析。根据此类机构相似的结构特点，建立两组静力学平衡方程得到的它们通用的完整力雅克比矩阵，并分析了它们的支链奇异，平台奇异和驱动奇异发生条件，其中具体讨论了驱动奇异位形发生的所有类型，并得到它们的运动性质。并以其中一种结构的H4机构为分析对象得到三种具体奇异位形实例。最后讨论了与H4机构类似的I4R机构，推导了它的正解和逆解，分析得到它的奇异性并给出了具体算例。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1并联机构概述

1.2并联机构奇异位形的基本理论和研究综述

1.2.1奇异位形的基本概述

1.2.2奇异性研究综述

1.3课题研究的意义及主要研究内容

第2章平面3自由度并联机构的奇异性分析

2.1引言

2.2 3-RRR机构和RRR-2RRR冗余机构的奇异性分析

2.2.1 3-RRR机构的运动学逆解和奇异性分析

2.2.2 RR-2RRR机构和3-RRR机构的奇异性比较

2.3 3-RPR机构和RPR-2RPR机构的奇异性分析

2.3.1 3-RPR机构的运动学和奇异性分析

2.3.2 RPR-2RPR机构和3-RPR机构的奇异性比较

2.4 3-PRR机构和PRR-2PRR机构的奇异性分析

2.4.1 3-PRR机构的逆解和奇异性分析

2.4.2 PRR-2PRR机构和3-PRR机构奇异性比较

2.5 3-RRP机构和RRP-2RRP机构的奇异性分析

2.5.1 3-RRP机构的运动学逆解和奇异性分析

2.5.2 RRP-2RRP机构和3-RRP机构的奇异性比较

2.6 3-PRRP机构和PRP-2PRP机构的奇异性分析

2.6.1 3-PRP机构的运动学逆解和奇异性分析

2.6.2 3-PRP机构和PRP-2PRP机构的奇异性比较

2.7本章小结

第3章三自由度Tricept并联机构的奇异性分析

3.1引言

3.2机构的描述和运动学分析

3.3三种驱动布位方式的完整雅克比矩阵

3.3.1约束子矩阵

3.3.2运动子矩阵

3.3.3完整雅克比矩阵

3.4奇异性分析

3.4.1奇异位形的条件

3.4.2算例

3.5本章小结

第4章H4类机构的奇异性分析

4.1引言

4.2同构支链H4类机构的奇异性分析

4.2.1 H4类机构的描述

4.2.2自由度分析

4.2.3雅克比矩阵

4.2.4奇异性分析

4.2.5算例

4.3 14R机构的运动学和奇异性分析

4.3.1 14R机构描述

4.3.2机构运动学分析

4.3.3 14R机构的奇异性分析

4.3.4算例

4.4本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的主要成果

致谢